悬架系统设计计算说明书

第1页共24页课程项目教学设计汽车悬架设计专业：车辆工程姓名：班级：学号：指导老师：第2页共24页1悬架概述及悬架方案选定1.1悬架的要求悬架的主要任务是传递作用在车轮和车架（或车身）之间的一切力和力矩，并且缓和路面传给车架（或车身）的冲击载荷，衰减由此引起的承载系统的震动，保证汽车行驶的平顺性；保证车轮在路面不平和载荷变化时有理想的运动特征；保证汽车的操纵稳定性，使汽车获得高速行驶能力。悬架由弹性元件、导向装置、减震器、缓冲块和横向稳定器等组成。导向装置由导向杆系组成，用来决定车轮相对于车架（或车身）的运动特性，并传递出弹性元件传递的垂直力以外的各种力和力矩。当用纵置钢板弹簧弹性元件时，它兼起到导向装置的作用。缓冲块用来减轻车轴对车架（或车身）的直接冲撞，防止弹性元件产生过大的变形。装有横向稳定器的汽车，能减少转弯行驶时车身的侧倾角和横向角所引起的震动[2]。在对此电动车的设计中，对其悬架提出的设计要求有：（1）保证汽车有良好的行驶平顺性[3]；（2）具有合适的衰减振动能力；（3）保证汽车具有良好的操纵稳定性；（4）汽车制动或加速时要保证车身稳定，减少车身纵倾；转弯时车身侧倾角要合适；（5）有良好的隔声能力；（6）结构紧凑、占用空间尺寸要小；（7）可靠地传递车身与车轮之间的各种力和力矩。1.2方案确定要正确的选择悬架方案和参数，在车轮上下跳动时，使主销的定位角变化不大、车轮运动与导向机构运动压迫协调，避免前轮摆振；汽车转向时应使之稍有不足转向特性。此电动车悬架部分结构形式选定为：（1）前悬采用麦弗逊式（滑柱连杆式）独立悬架（2）后悬采用对称式钢板弹簧（无副簧）第3页共24页2悬架结构形式分析2.1悬架的分析悬架可分为非独立悬架和独立悬架两类。非独立悬架的结构特点是左右车轮用一跟整体轴连接，再经过悬架与车身（或车身）连接，如图3.1（a）所示；独立悬架的结构特点是左右车轮通过各自的悬架与车架（或车身）连接，如图3.1（b）所示[4]。以纵置钢板弹簧为弹性元件兼做导向装置的非独立悬架，其主要优点是结构简单，制造容易，维修方便，工作可靠。缺点是由于整车布置上的限制，钢板弹簧不可能有足够长度（特别是前悬架），使之刚度较大，所以汽车平顺性较差；簧下质量大；；在不平路面上行驶时，左右车轮相互影响，并使车轴（桥）和车身倾斜；当汽车直线行驶在凹凸不平的路面上时，由于左右两侧车轮反向跳动或只有一侧车轮跳动时，会产生不利的轴转向特性；汽车转弯行驶时，离心力也会产生不利的轴转向特性；车轴（桥）上方要求有与弹簧行程相适应的空间。这种悬架主要用在货车、大客车的前后悬架以及某些轿车的后悬架上。独立悬架的优点是：簧下质量小；悬架占用的空间小；弹性元件只承受垂直力，所以可以用刚度小的弹簧，使车身振动频率降低，改善的汽车行驶的平顺性；由于可能降低发动机的位置高度，使整车的质心高度下降，又改善了汽车的行驶稳定性；左右车轮各自独立运动互不影响，可减少车身的震动和倾斜，同时在起伏的路面上能获得良好的地面附着能力。独立悬架的缺点是结构复杂，成本较高，维修困难。这种悬架主要用于轿车和部分轻型货车、客车及越野车上。目前汽车的前后悬架采用的方案有：前轮和后轮均采用非独立悬架；前轮采用独立悬架，后轮采用非独立悬架；前后轮均采用独立悬架几种[4][5]。图3.1悬架结构形式第4页共24页本设计是电动车的悬架设计，故采用：（1）前悬：麦弗逊式（滑柱连杆式）独立悬架（2）后悬：对称式钢板弹簧（无副簧）（3）辅助元件：减震器、缓冲块奥迪100型轿车弗逊式前悬架通过减小悬架垂直刚度c，能降低车身震动固有频率n（n=smc//2π），达到改善汽车平顺性的目的。但因为悬架的侧倾角刚度C和悬架垂直刚度c之间是正比例关系，所以减少垂直刚度c的同时使侧倾角刚度C也减小，并使车厢侧倾角增加，结果车厢中的乘员会感到不舒服和降低了行车安全感。解决这一矛盾的主要方法是在汽车上设置横向稳定器。有了横向稳定器，就可以做到在不增大悬架垂直刚度c的条件下，增大悬架的侧倾角刚度C。2.2侧倾角的计算下面来计算电动车的侧倾角，从而来论证有没有必要来加横向稳定器[6]。（１）已知：钢板弹簧的中心距BS2=830mm第5页共24页后钢板弹簧的的刚度为C2=14.802N/mm满载整车总质量GS=580kg满载时挂车重心高度h=350mm（２）计算悬架的侧倾角刚度：C＝C1×Bs22/2[7]=14.802N/mm×(830mm)2/2=50985489N.mm当向心加速度gRgV4.02时，将相应22.80702数代入上式，得：SSSGhCGhRgVhGChRgV22=3.56Deg满足不大于4o的要求，因此后悬架无需加装横向稳定器。2.3缓冲块的设计缓冲块通常用如图3.2所示形状的橡胶制造。通过硫化将橡胶与钢板连为一体，再焊在钢板上的螺钉将缓冲块固定到车架（车身）或其他部位上，起到限制悬架最大行程的作用。有些汽车装用多孔聚氨脂制成缓冲块。它兼有辅助弹性元件的作用。多孔聚脂氨是一种有很高强度和耐磨性的复合材料。这种材料起泡时就形成了致密的耐磨外层，它保护内部的发泡部分不受损伤。由于该材料在内部有气泡，在载荷作用下弹性元件被压缩，但其外廓尺寸增加却不大，这点与橡胶不同。图3.2缓冲块第6页共24页3悬架主要参数的确定3.1设计原则要具有生产上的可能性，技术上的先进性，经济上的合理性，悬架系统要性能良好，能保证汽车有良好的行驶平顺性，具有合适的衰减振动能力，保证汽车具有良好的操纵稳定性，并且结构紧凑，占用的空间尺寸小，有足够的强度和寿命[8]。设计的原始数据：满载质量580KG，整备质量500KG，空车前轴负荷250KG,空车后轴负荷250KG，满载前轴负荷G1290KG,满载后轴负荷G2290KG,轴距1600mm,满载质心高度350mm，最高车速大于30Km/h,最小转弯半径不大于16m，最小离地间隙160mm,3.2悬架主要参数计算悬架静扰度fc是指汽车满载静止时悬架上的载荷wF与此时悬架刚度c之比，即cf=wF/c汽车前后悬架与其簧上质量组成的振动系统的固有频率，是影响汽车行驶平顺性的主要参数之一。因现代汽车的质量分配系数ε近似等于1，于是汽车前后轴上方车身两点的振动不存在联系。因此，汽车前后部分的车身固有频率1n和2n，可用下式表示1n=（c1/m1）1/2/(2π)、n2=（c2/m2）1/2/（2π），当采用弹性特性为线形变化的悬架时，前后悬架静扰度可用下式来表示[1]：Fc1=m1g/c1Fc2=m2g/c2Fw1=（G1-前桥重-簧重-轮重）g/2=（290-5）×9.81/2=1397.925Nm1=142.5kgFw2=（G2-前桥重-簧重-轮重）g/2=（290-5）×9.81/2=1397.925Nm2=142.5kg第7页共24页由1n=（c1/m1）1/2/(2π)、n2=（c2/m2）1/2/（2π）推出：c1=（2πn1）2m1=（2π×1.575）2×142.5=12.96N/mmc2=（2πn2）2m2=（2π×1.75）2×142.5=17.23N/mm式中g：重力加速度（g=981cm/s2）根据所给参数，本设计中悬架的动扰度fd1取80mm,fd2取80mm。悬架弹性特性钢板弹簧非独立悬架的弹性特性为线性的，悬架变形f与所受垂直外力F之间呈固定比例变化。第8页共24页4前悬架的设计计算4.1弹簧形式的选择选用普通圆柱螺旋弹簧，而非锥形，纺锤形或其它缠绕形式的弹簧。作出这样的选择，并不是因为普通螺旋弹簧有更多的优势，而是由于它的生产量较大，应用广泛，成本低。4.1.1材料的选择：采用5—10mm直径的热扎弹簧钢，加热成形，而后淬火﹑回火等处理。初选直径为8mm圆柱35829.5F钢丝，C类。----------------据《机械零件设计手册》冶金工业出版社360页表25—4，表25—6选择用于汽车悬架的压缩圆柱螺旋弹簧油淬回火硅锰弹簧钢260SiMnA弯曲应力：MPap550,37910G，弹性模量：320610E使用温度：C020040剪切应力：1569baMP-------据《机械零件设计手册》冶金工业出版社表25—5第9页共24页4.2弹簧参数的计算4.2.1圆柱螺旋弹簧直径d的计算参数的计算：弹簧最小工作负荷（轻载）NF12251弹簧最大工作负荷（满载）NF14212极限状态负荷NF2.17053D=60mm][823ccswcnDdGfdDF408.74455014218][833cwDFdmm4.2.2求有效圈数96.1344560109.7408.7120][232ccsDdGfn所以弹簧有效圈速n=14圈两端各并紧一圈并磨平，则总圈速：圈圈16)214(1n弹簧的强度校核：MPanDdGfdsd84.2951460109.7408.780232][84.74084.295445cd弹簧的其他尺寸内径mmdDD44826021外径mmD60第10页共24页弹簧刚度mmNFFk/6.191012251421012工作时变形量mmkF5.726.19142122间距6.47mm148.05.728.02n取mm5.6节距mmdt5.1485.6螺旋升角间）～在95(07.5525.14arctanarctan2Dt弹簧丝展开长度mmnDL74.262207.5cos1652cos12自由高度mmdnnH2118)5.014(5.616)5.0(10受载荷1F时初始变形量mmkF5.626.19122511弹簧安装高度mmHH5.1485.62211101第11页共24页5弹性元件-后钢板弹簧的计算5.1钢板弹簧的布置方案钢板弹簧在汽车上可以纵置或者横置。后者因为要传递纵向力，必须设置附加的导向传力装置，使结构复杂，质量加大所以在在少数轻、微型车上应用。纵置钢板弹簧能传递各种力和力矩，并且结构简单，故在汽车上得到广泛应用。本设计采用纵置钢板弹簧。纵置钢板弹簧又分对称式和不对称式。钢板弹簧中部在车轴（桥）上的固定中心至钢板弹簧两端卷耳中心之间的距离若相等，则为对称式钢板弹簧；若不相等为不对称式钢板弹簧。多数情况下汽车采用对称式钢板弹簧，故本设计采用对称式钢板弹簧。5.1.1加工要求：260SiMn热轧弹簧钢加热成形，而后淬火﹑回火，还要经过实效处理，以消除内应力。5.1.2材料的参数：弯曲应力：445PaMP,37910G，弹性模量：320610E使用温度：040200C剪切应力：1569baMP-------据《机械零件设计手册》冶金工业出版社表25—55.2钢板弹簧主要参数的确定在进行钢板弹簧计算之前，应当知道下列初始条件：满载静止时汽车前后轴（桥）符合1G、2G和簧下部分荷重1uG、2uG，并根据此计算出单个钢板弹簧的载荷：1wF=（1G-1uG）/2和2wF=（2G-2uG）/2，悬架的静扰度cf和动扰度df，汽车的轴距等。第12页共24页5.2.1满载弧高af满载弧高af是指钢板弹簧装带轴（桥）上，汽车满载时钢板弹簧主片上表面与两端（不包括卷耳孔半径）连线间的最大高度差，如图6.1所示：af用来保证汽车具有给顶的高度。当af为0时，钢板弹簧在对称位置上工作。为了在车架高度已限定时能得到足够的动扰度值，常取af=10-20mm。本设计取af=20mm。5.2.2钢板弹簧长度L的确定钢板弹簧长度L是指弹簧伸直后两卷耳中心之间的距离。增加钢板弹簧长度L能显著降低弹簧应力，提高使用寿命；降低弹簧刚度，改善汽车平顺性；在垂直刚度c给定的条件下，又能明显增加钢板弹簧的纵向角刚度。钢板弹簧的纵向角刚度系指钢板弹簧产生单位纵向转角时，作用